RU139815U1

RU139815U1 - PIEZOGENERATOR

Info

Publication number: RU139815U1
Application number: RU2013128835/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Дудаков; Николай Николаевич Климов; Герман Сергеевич Солодов; Анна Геннадьевна Никонова
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2014-04-27

Abstract

1 Пьезоэлемент представляет цилиндр из пьезоэлектрика, закрепленного внутри трубы, с контактами на внутренней и внешней поверхностях для снятия возникающей энергии отличающийся тем, что внутри цилиндра установлен вал с крестовиной, на крестовине имеются прижимные ролики, которые при вращении деформируют пьезоэлектрический цилиндр, создавая разность потенциалов.2 Пьезоэлемент по п.1, отличающийсяся тем, что на внутренней поверхности трубы установлено несколько пьезоэлектрических цилиндров в поперечном сечении вдоль трубы, на валу установлено несколько крестовин с прижимными роликами, которые упираются во внутреннюю поверхность цилиндров, деформируя их и создавая разность потенциалов, что позволяет в зависимости от схемы включения иметь большее напряжение или ток.3 Пьезоэлемент по п.1, отличающийся тем, что прижимные ролики имеют возможность при вращении крестовин давить на пьезоэлектрические цилиндры с регулируемым усилием, т.е. при необходимости изменять величину снимаемого с генератора напряжения.1 A piezoelectric element is a cylinder made of a piezoelectric material fixed inside the pipe, with contacts on the inner and outer surfaces for removing the energy that is generated, characterized in that a shaft with a cross is installed inside the cylinder, there are pressure rollers on the cross that deform the piezoelectric cylinder during rotation, creating a potential difference. 2 The piezoelectric element according to claim 1, characterized in that on the inner surface of the pipe there are several piezoelectric cylinders in cross section along the pipe, on the shaft of the mouth several crosses with pressure rollers have been introduced that abut against the inner surface of the cylinders, deforming them and creating a potential difference, which allows depending on the switching circuit to have a higher voltage or current. 3 The piezoelectric element according to claim 1, characterized in that the pressure rollers have the ability to to rotate the crosses, press on the piezoelectric cylinders with adjustable force, i.e. if necessary, change the value of the voltage taken from the generator.

Description

Устройство относится к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезоэффекта и предназначено для использования в приборах.The device relates to energy converters based on the application of the piezoelectric effect and is intended for use in devices.

В последние годы разработаны конструкции пьезонакопителей энергии окружающей среды для различных применений.In recent years, designs of environmental energy piezo storage devices have been developed for various applications.

Известно пьезоэлектрическое устройство для преобразования энергии (патент на полезную модель RU №124459, МПК H02 №2/18, заявлен 07.08.2012 г.)A piezoelectric device for converting energy is known (patent for utility model RU No. 124459, IPC H02 No. 2/18, filed August 7, 2012)

Данное устройство содержит статор, на котором закреплен пьезоэлемент. Пьезоэлемент имеет форму вращения. Ротор, на котором расположены ролики, которые деформируют пьезоэлемент.This device contains a stator on which a piezoelectric element is fixed. The piezoelectric element has the form of rotation. The rotor on which the rollers are located that deform the piezoelectric element.

Пьезоэлемент выполнен в виде жестко закрепленной основанием толстой полой пьезокерамической пластины. Пластина имеет сплошное секционное электродное покрытие на его торцевых поверхностях.The piezoelectric element is made in the form of a rigidly hollow base of a thick hollow piezoceramic plate. The plate has a continuous sectional electrode coating on its end surfaces.

Недостатки: Дорогие пьезокерамические пластины используются неэффективно - работает только небольшая часть пластины. Кроме того, не проработана схема взаимодействия возникающих потоков энергии от вращения внешних роликов и роликов, расположенных в центре, причем при повышенной скорости вращения энергия будет образовываться меньше.Disadvantages: Expensive piezoceramic plates are used inefficiently - only a small part of the plate works. In addition, the interaction scheme of the emerging energy flows from the rotation of the outer rollers and rollers located in the center has not been worked out, and at an increased rotation speed, less energy will be generated.

Известен пьезогенератор (описание изобретения к патенту RU №2264687, МПК H02 №2/18, заявлен 11.11.2003 г.)A known piezoelectric generator (description of the invention to patent RU No. 2264687, IPC H02 No. 2/18, filed November 11, 2003)

С целью повышения удельной мощности пьезогенератора в известном устройстве, содержащем биморфное пьезоэлектрическое кольцо с электродами на главных поверхностях и ролики, соосно кольцу внутри устройства установлено второе биморфное пьезоэлектрическое кольцо с электродами на главных поверхностях, ролики размещены между кольцами, на торцах колец установлены сепараторы с вырезами, в которых размещены пружины. Ролики могут быть выполнены из пьезоэлектрического материала. Один электрод ролика располагается на боковой поверхности, второй выполнен в виде электропроводного стержня и размещен на оси вращения. Электроды роликов могут быть расположены на боковой поверхности вдоль и перпендикулярно оси вращения и соединены между собой схемой коммутации. Кроме этого, электроды могут размещаться на торцах роликов перпендикулярно их оси.In order to increase the specific power of the piezoelectric generator in a known device containing a bimorphic piezoelectric ring with electrodes on the main surfaces and rollers, a second bimorphic piezoelectric ring with electrodes on the main surfaces is installed coaxially to the ring inside the device, the rollers are placed between the rings, separators with cutouts are installed on the ends of the rings, in which the springs are placed. The rollers can be made of piezoelectric material. One electrode of the roller is located on the side surface, the second is made in the form of an electrically conductive rod and placed on the axis of rotation. The electrodes of the rollers can be located on the lateral surface along and perpendicular to the axis of rotation and are interconnected by a switching circuit. In addition, the electrodes can be placed on the ends of the rollers perpendicular to their axis.

В предлагаемом устройстве генерирование электроэнергии возможно за счет вращения одного из колец. Вращение роликов при этом вызовут деформацию пьезоматериала обоих колец и самих роликов, следовательно, генерацию электрических зарядов и их съем для потребления.In the proposed device, the generation of electricity is possible due to the rotation of one of the rings. The rotation of the rollers in this case will cause deformation of the piezomaterial of both rings and the rollers themselves, therefore, the generation of electric charges and their removal for consumption.

Недостатки.Disadvantages.

Главным недостатком этой конструкции является ее сложность, а, следовательно, ненадежность.The main disadvantage of this design is its complexity, and, therefore, unreliability.

Наиболее близкий аналог - пьезоэлектрический генератор постоянного тока (описание изобретения к патенту RU №2113757, МПК H02 №2/18, заявлен 19.03.1993 г.)The closest analogue is a piezoelectric direct current generator (description of the invention to patent RU No. 2113757, IPC H02 No. 2/18, filed March 19, 1993)

В данном устройстве пьезоэлектрического генератора постоянного тока, в котором пьезоэлемент выполнен в виде плоского биморфного диска, закрепленного в центре диска и деформируемого в осевом направлении двумя установленными на роторе роликами через гибкую изолирующую прокладку. При этом достигаются существенное упрощение устройства, повышение технологичности, надежности и эффективности преобразования.In this device, a piezoelectric direct current generator in which the piezoelectric element is made in the form of a flat bimorph disk mounted in the center of the disk and axially deformed by two rollers mounted on the rotor through a flexible insulating gasket. At the same time, a significant simplification of the device, increasing manufacturability, reliability and conversion efficiency are achieved.

Так, при деформации в одном направлении плоского биморфного диска, пластины которого поляризованы, на электродах генерируются заряды, при этом па электродах в зонах сжатия пьезоматериала - потенциал одного знака, на электродах в зонах растяжения - другого. Зоны сжатия и растяжения находятся на разных сторонах диска пьезоэлемента, и поэтому заряды «+» и «-» разделены. Это позволяет снимать напряжение без контактных роликов, прямо с электродов пьезоэлемента. Для повышения надежности, уменьшения износа деформация пьезоэлемента нажимными роликами производится через гибкую прокладку, закрепленную по краю биморфного диска.Thus, during deformation in one direction of a flat bimorph disk, the plates of which are polarized, charges are generated on the electrodes, while the electrodes in the compression zones of the piezoelectric material show the potential of one sign, and the electrodes in the zones of extension - the other. The compression and extension zones are located on different sides of the piezoelectric disk, and therefore the “+” and “-” charges are separated. This allows you to relieve stress without contact rollers, directly from the electrodes of the piezoelectric element. To increase reliability and reduce wear, the deformation of the piezoelectric element by pressure rollers is made through a flexible gasket fixed along the edge of the bimorph disk.

Эта прокладка может быть выполнена в виде мембраны, разделяющей зону привода деформирующих роликов и зону пьезоэлемента. При необходимости разделения зон, например, воздуха и вакуума, воздуха и воды прокладка будет выполнять функцию разделительной мембраны.This gasket can be made in the form of a membrane separating the drive zone of the deforming rollers and the zone of the piezoelectric element. If it is necessary to separate zones, for example, air and vacuum, air and water, the gasket will serve as a separation membrane.

Преимущество плоского дискового элемента заключается еще и в том, что легко реализуется путем применения множества элементов для увеличения мощности, получения различных уровней напряжения и уменьшения синфазной составляющей постоянного напряжения. Это достигается путем установки двух и более биморфных дисковых элементов, закрепленных в центре соосно, с возможностью поворота в месте закрепления. При этом генерируемые напряжения в различных пьезоэлементах могут быть суммированы с противофазой по синфазной составляющей напряжения при повороте одного из элементов с последующим его закреплением.The advantage of a flat disk element lies in the fact that it is easily implemented by using many elements to increase power, obtain various voltage levels and reduce the common-mode component of DC voltage. This is achieved by installing two or more bimorph disk elements fixed coaxially in the center, with the possibility of rotation at the fixing point. In this case, the generated voltages in various piezoelectric elements can be summed with the antiphase in common-phase component of the voltage when one of the elements is rotated with its subsequent fixing.

Возникновение синфазной составляющей связано с погрешностями в пьезоматериале, поляризации, эксцентриситетом установки диска пьезоэлемента и деформирующих роликов.The appearance of the in-phase component is associated with errors in the piezomaterial, polarization, eccentricity of the installation of the piezoelectric disk and the deforming rollers.

В многоэлементном пьезоэлектрическом генераторе могут быть получены различные уровни напряжений путем соединения электродов пьезоэлементов в электрическую цепь последовательно и параллельно.In a multi-element piezoelectric generator, various voltage levels can be obtained by connecting the electrodes of the piezoelectric elements in an electrical circuit in series and parallel.

Недостатки: Сложность конструкции, большие габариты устройств, малая электрическая мощность генераторов, малая надежность из-за тонкослойного покрытия пьезоэлемента.Disadvantages: The complexity of the design, the large dimensions of the devices, the low electrical power of the generators, low reliability due to the thin layer coating of the piezoelectric element.

В предлагаемой авторами конструкции пьезоэлемент представляет собой трубу с закрепленными на внутренней стороне пьезоэлементами и контактами для снятия возникающей энергии. Отличающийся тем, что внутри трубы установлен вал с крестовиной, на которых установлены нажимные ролики, которые при вращении катятся по внутренней поверхности трубы, изготовленной из пьезоэлектрического материала. На внутренней поверхности трубы установлено несколько дорожек из цилидрических пьезоэлементов в поперечном сечении относительно оси трубы, а на валу установлено несколько крестовин с нажимными роликами, которые упираются в дорожки из пьезоэлементов.In the design proposed by the authors, the piezoelectric element is a pipe with piezoelectric elements fixed on the inside and contacts for removing the emerging energy. Characterized in that a shaft with a cross is installed inside the pipe, on which pressure rollers are mounted, which during rotation roll along the inner surface of the pipe made of piezoelectric material. On the inner surface of the pipe there are several tracks of cylindrical piezoelectric elements in cross section relative to the axis of the pipe, and on the shaft there are several crosses with pressure rollers that abut against the tracks of piezoelectric elements.

Прижимные ролики имеют возможность при вращении крестовины давить на пьезоэлементы с регулируемым усилием.Pinch rollers have the ability to press on the piezoelectric elements with adjustable force during rotation of the cross.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.The essence of the proposed device is illustrated by drawings.

На фиг.1 показан общий вид предлагаемого пьезогенератора, где обозначено: пьезоэлемент - 1, прижимные ролики - 2, крестовина - 3, труба, в которой размещены цилиндры из пьезоэлектрика - 4. каждый ролик 2 снабжен пружиной 5 для регулирования усилия давления на пьезоэлемент.Figure 1 shows a General view of the proposed piezoelectric generator, where it is indicated: a piezoelectric element - 1, pressure rollers - 2, a crosspiece - 3, a pipe in which cylinders of a piezoelectric - 4 are placed. Each roller 2 is equipped with a spring 5 for regulating the pressure exerted on the piezoelectric element.

Генератор работает следующим образом. При вращении вала с крестовиной 3 прижимные ролики 2 деформируют поверхность пьезоэлемента 1. При постоянной угловой скорости вращения вала с крестовиной 3 прижимные ролики 2 в результате действия силы от сжатой пружины вызывают радиальную деформацию пьезоэлемента 1.The generator operates as follows. When the shaft with the crosspiece 3 rotates, the pressure rollers 2 deform the surface of the piezoelectric element 1. At a constant angular rotation speed of the shaft with the crosspiece 3, the pressure rollers 2 as a result of the force from the compressed spring cause radial deformation of the piezoelectric element 1.

При радиальной деформации пьезоэлемента на его электродах, вследствие прямого пьезоэффекта (Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1984 - стр.598), возникают заряды, составляющие разности потенциалов на его внутренней и внешней цилиндрических поверхностях. Изменение во времени разности потенциалов определяется угловой скоростью вращения крестовины 3 и ее величина пропорциональна величине радиальной деформации пьезоэлемента 1.When the piezoelectric element is radially deformed on its electrodes, due to the direct piezoelectric effect (Physical Encyclopedic Dictionary. - M.: Soviet Encyclopedia, 1984 - p. 598), charges arise that make up the potential difference on its inner and outer cylindrical surfaces. The time variation of the potential difference is determined by the angular velocity of rotation of the crosspiece 3 and its value is proportional to the magnitude of the radial deformation of the piezoelectric element 1.

Вследствие периодической деформации, возникающей в результате вращения вала с крестовиной 3, изменение величины разности потенциалов будет иметь переменный синусоидальный характер.Due to periodic deformation resulting from the rotation of the shaft with the cross 3, the change in the potential difference will have a variable sinusoidal character.

Следует также отметить, что при вращении вала с крестовиной 3 прижимные ролики 2, имеют возможность передвижения в радиальном направлении, благодаря использованию пружин 5 внутри крестовин к которым прикреплены ролики 3.It should also be noted that when the shaft with the crosspiece 3 is rotated, the pressure rollers 2 have the ability to move in the radial direction due to the use of springs 5 inside the crosspieces to which the rollers 3 are attached.

Для исключения потерь с пьезоэлемента 1 и токоведущих элементов в конструкции пьезогенератора предусмотрено применение диэлектрического изолятора.To exclude losses from the piezoelectric element 1 and current-carrying elements in the design of the piezoelectric generator provides the use of a dielectric insulator.

Разработка встроенных источников питания является сложной технической задачей.The development of integrated power supplies is a complex technical task.

Предлагаемое устройство позволяет, как показали опыты, существенно упростить их конструкцию, а также повысить их мощность и надежность работы.The proposed device allows, as shown by experiments, significantly simplify their design, as well as increase their power and reliability.

Claims

1 A piezoelectric element is a cylinder made of a piezoelectric material fixed inside the pipe, with contacts on the inner and outer surfaces for removing the energy that is generated, characterized in that a shaft with a cross is installed inside the cylinder, there are pressure rollers on the cross that deform the piezoelectric cylinder during rotation, creating a potential difference.

2 The piezoelectric element according to claim 1, characterized in that several piezoelectric cylinders are installed on the inner surface of the pipe in cross section along the pipe, several crosses with pressure rollers are installed on the shaft, which abut against the inner surface of the cylinders, deforming them and creating a potential difference, which allows depending on the switching circuit, have a higher voltage or current.

3 The piezoelectric element according to claim 1, characterized in that the pressure rollers have the ability to press on the piezoelectric cylinders with adjustable force during rotation of the cross pieces, i.e. if necessary, change the value of the voltage taken from the generator.